Плавающий беспилотник

Аквалангисты из Томского университета систем управления и радиоэлектроники исследовали Туимский провал в Хакасии с помощью «умного» гидролокатора, позволяющего составить подробную карту рельефа дна.

Рудники вокруг посёлка Туим на северо-западе Хакасии известны с середины XIX века – до 30-х годов XX века там кирками и лопатами добывали медь. Позже месторождение, богатое не только медью, но и вольфрамом, молибденом и золотом, отрабатывали подземным способом. Нижние уровни шахт затопило водой, а «кровля» начала проваливаться. Так со временем образовался впечатляющий рукотворный кратер, заполненный водой, – Туимский провал. Его диаметр достигает 200 метров, высота скалы – более 100 метров, а глубина озера точно неизвестна. Эти глубины уже в течение нескольких лет исследуют дайверы из томских клубов «Наяда» (ТУСУР) и «Афалина» (Томский политехнический университет).

Целью последней экспедиции летом 2016 года было исследование подводного рельефа шахты, а также поиск горизонтального грота – бывшей штольни, находящейся на большой глубине. «В 2013 году, в наше первое посещение провала, мы планировали посмотреть, что это за озеро, можно ли там погружаться, есть ли возможность доставить оборудование. Оказалось, что можно. Там есть горизонтальная штольня, которая выходит к самому озеру. В ней воды почти по пояс, то есть в болотных сапогах можно закинуть оборудование», – рассказал «Чердаку» президент клуба аквалангистов «Наяда» Михаил Журавлёв.

«Кроме того, нам было интересно, насколько безопасно можно погружаться, какая глубина. Для этого мы доставили туда эхолот. Поплавали, посмотрели: с одной стороны озера глубина плавно спускается до 20 метров, а дальше – ещё ниже. Сначала погрузились на этой относительно неглубокой части, посмотрели, насколько совпадают наши замеры с реальной глубиной. Замеры совпали с точностью до нескольких метров, хотя поначалу казались странными: в близких точках мы видели глубины, например, 20 и 24 метра. При погружении выяснилось, что там лежат крупные валуны, дно неровное и замеры эхолота зависят от того, по какой части камня попадет сигнал», – пояснил Журавлёв.

Погружение в Туимский провал

Сам по себе гидролокатор или сонар – вполне стандартный прибор для исследования объектов под водой. Гидролокатор посылает звуковую волну, она доходит до дна, отражается и возвращается. Прибор считает время, за которое волна прошла это расстояние, и таким образом определяет глубину. Однако исследование дна в ручном режиме – долгий процесс, требующий много ручного труда и не обеспечивающий большой точности. Инженеры ТУСУРа снабдили гидролокатор «мозгом», научив его автономно выстраивать маршрут, собирать и обрабатывать информацию.

Об умном гидролокаторе «Чердаку» рассказал один из его разработчиков – аспирант кафедры промышленной электроники ТУСУРа Иван Журавлёв. «Работа с обычным гидролокатором муторная: два человека садятся на лодку, один на вёслах, другой на кнопочку прибора нажимает. Они оплывают всё озеро и строят карту вручную. Это сложно, долго и достаточно дорого – просто по человекодням. А мы сделали такой морской беспилотник: приезжаем на место, кидаем нашу установку в воду и сидим пьём кофе, а она работает. Два человека за день снимают, например, треть озера, а гидролокатор за три часа – всё целиком», – пояснил инженер.

Элементы, из которых состоит прибор, свободно продаются в магазинах. Это удешевляет установку и позволяет масштабировать её производство. Ноу-хау ТУСУРа – это программа. Робот понимает, где он находится, где границы области, за которую он не может выходить, строит траекторию движения по водоёму, а затем перемещается по ней, строя полную карту.

«Дело в том, что этим человеком на вёслах какое-то время был я. А потом задумался: инженеры мы или нет? И мы собрали автоматическое устройство», – говорит Иван Журавлёв.

Экспедиция 2016 года была более сложной. «В этом году мы погружались на глубину до 41 метра и надеялись найти подводную пещеру. В этой шахте были горизонтальные и вертикальные выработки – даже на обрыве видны входы в горизонтальные штольни. Значит, под водой должны быть такие же штольни, но уже затопленные. В этот раз мы планировали найти вход, понять, есть ли он и как туда добраться», – рассказал Михаил Журавлёв.

В ходе экспедиции найти вход в подводную штольню не удалось, зато получилось исследовать воды озера на больших глубинах. Вблизи поверхности видимость в озере очень плохая – не больше одного метра (именно поэтому исследования дна гидролокатором так важны: он служит «глазами» дайвера), однако на большой глубине ситуация меняется.

«Глубоководные погружения показали, что на глубине больше 30 метров прозрачность воды хорошая, видимость просто прекрасная – больше 15 метров. Уже ниже 20 метров проясняется, и видно очень далеко. В природных водоёмах часто можно наблюдать термоклин – границу тёплой и холодной воды. В тёплой приповерхностной воде обитает фито- и зоопланктон, поэтому вода мутноватая. А при переходе через термоклин температура воды сразу падает на пять-шесть градусов – планктон в таких условиях не живёт, и видимость улучшается. Иногда при погружениях термоклин снизу видно как потолок – такая чёткая граница раздела между прозрачной холодной и мутной тёплой водой», – объяснил Михаил Журавлёв.

В Туимском провале – рукотворном озере – биологическая система пока не сформирована. Долгое время предполагалось, что вода там низкого качества из-за солей металлов, солями меди объясняли голубо-зелёный цвет воды. Но оказалось, что вода в озере достаточно хорошая.

«Мы брали пробу воды и отдавали её в Томский университет для анализа содержания тяжёлых металлов. Критических доз там не найдено, всё в пределах нормы. Да, есть повышенное содержание, но это не опасно для жизни, по этим показателями там могут существовать живые организмы. Однако вода в озере холодная и проточная, она выходит из-под земли и вытекает по внешней горизонтальной штольне. Скорее всего, она просто не успевает прогреться», – предполагает Журавлёв.

Работы на Туимском провале продолжат в один из следующих сезонов, а автоматический гидролокатор уже используют для вполне «бытовых» задач: аквалангисты «Наяды» применяли его во время очистки дна Белого озера в Томске.

«Сейчас гидролокатор работает только на поверхности воды, то есть не может исследовать, допустим, пещеры. Можно сделать, чтоб он плавал и под водой, но это другого масштаба задача, пока у нас такой потребности нет», – подытожил инженер.